电梯无线群控通讯技术研究

2015-03-02徐美龄赵国军

机电工程 2015年8期

徐美龄，赵国军

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州310014)

0 引言

随着城市建设的迅速发展，生活水平不断提高，电梯作为一种主要的垂直交通工具，得到了广泛的应用，同时人们对电梯服务质量和服务效率的要求也变得越来越高。为了提高服务质量及效率，建筑物往往需要安装多台电梯来进行群控调度。群控电梯的调度需通过分析各台电梯的运行方向、轿厢当前位置、外召信号、内召信号等因素来实现的，传统电梯获取其余电梯群控信息的通讯方式往往采用CAN 总线、232 总线或者485 总线进行有线通讯［1］，然而对于高层楼，电缆线重量高达100 kg，对电缆的安装、固定及维修都加大了难度。该通讯方式线路多，抗干扰能力较差，控制复杂，影响了电梯群控通讯的可靠性。

针对上述问题，本研究基于STM32 W108 控制器为核心的ZigBee 无线群控模块［2］，设计一种电梯无线群控通讯系统。

1 电梯群控系统结构分析

目前，电梯群控系统结构有两种:星型群控系统结构、环形群控系统结构［3］。

星型电梯群控系统如图1 所示，即集中式控制，典型的有日本三菱和日立［4］的群控系统。星形群控系统通过一个群控模块集中式控制，群控器不需要区分外召信号的所属电梯，而只需知道外召所在楼层，但是系统存在一个致命缺点:当群控器发生故障时，整个群控系统将会瘫痪。由此看出，群控系统的可靠性较低。

图1 星型群控系统结构

环形群控系统结构如图2 所示，典型的有奥的斯群控系统和德国奔克群控系统［5］。环型群控系统改变了集中控制模式，每台电梯可以独立运行，大大地减小了群控系统整体瘫痪的概率。但是传输数据量大，通讯易堵塞，信息传递实时性差，数据易丢失。

图2 环形群控系统结构

本研究设计了一种电梯无线群控通讯系统，其结构如图3 所示。

图3 无线群控系统结构

由图3 可知，每台电梯配有一个主控板，每个主控板配有一个群控模块，群控模块不仅是所有功能模块的连接中心，而且是所有功能模块的控制核心。

该无线群控系统结构采用多个群控模块，使群控系统不会因为某一个群控器的破坏而造成整体瘫痪，而且群控模块与主板分离，自成一个功能模块。本研究采用以STM32 W108 芯片为核心的ZigBee 作为群控模块进行无线群控通讯，利用电梯无线群控系统结构，克服了星形和环形系统所存在的缺点，保证了群控系统的高效稳定性，提高了电梯群控系统的执行效率。

2 电梯无线群控通讯系统的设计

本研究的群控模块采用REX3SP 型ZigBee 无线模块，主控核心为ARM Cortex-M3 内核的STM32W108芯片，该模块的功能是负责把主控板的串口数据转化成无线信号发送出去或者接收无线信号并转发给主控板。群控模块接收灵敏度为－104 dBm，天线增益为2 dBi，发射的最大功率为+23 dBm，最大通信速率可达为250 kps［6］。本研究采用8 台电梯作为群控群，电梯的编号从左到右分别为0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08。

2．1 主控板间的串口配置

在主控板间通讯中，通讯模式采用异步、半双工串口模式。串口数据发送时，每个数据由10 个位组成，即1 个起始位，8 个数据位，1 个停止位。在数据稳定传输的基础上，主控板的串口波特率采用115 200 bps。

接收或发送一个字节所需时间［7］如下式:

主控板发送一个数据字节的时间为T，将其代入式(1)中可知T=86 μs。

2．2 群控模块间通讯的具体实现

无线群控通讯系统采用透明传输的方式［8］进行通讯，即电梯主控板n 端的无线模块n 将串口处接收到的数据打包，并启动无线发送功能。其他无线模块把来自无线模块n 的无线数据包进行解包得到电梯n的群控数据帧，并将其通过串口发送至各自连接的电梯主控板。无线群控通讯的具体实现如图4 所示。

图4 无线群控通讯的具体实现

2．3 群控模块间通讯时序同步技术的介绍

群控通讯时，各个群控模块的通讯时序如图5所示。

图5 群控模块间的通讯时序

如图5 所示，横坐标为时间计数轴，因此:

式(2，3)中:n≥1 时间段tf是为了保证:每个群控模块发送数据帧结束后，其余群控模块都能在tf时间内完成接收。

每个群控模块控制芯片的时钟存在一定的差别，群控通讯阶段的通讯时序同步原理如图6 所示，由于1 号群控模块发送完3 个字节数据时，计数器计数值为t1，2 号群控模块却只计数到t'1，与1 号群控模块计数值相差为t1－t'1，因此需要在时间上进行同步。根据发送或接收一个字节的时间是固定的，即群控模块发送或者接收相同字节数据帧所花时间相同，本研究在此设定n 号群控模块发送完3 个字节数据的时间点t1+(ts+tf)·(n－1)为所有群控模块的同步值，即其他群控模块在接收到第3 个字节时在软件上重新校正计数值为t1+(ts+tf)·(n－1)。这样不仅能够防止总线信息的堵塞，还能保证群控信息的高效传输。

图6 群控通讯阶段的通讯时序同步原理

2．4 群控模块间通讯过程的分析

电梯无线模块是按照1、2、3…8 的固定顺序依次轮流发送数据帧，这样才能有序地获得每台主板的群控信息。本研究在群控模块上电开始通讯前的时间上设定了同步规则:启动时同步、正常工作时同步。

启动时同步:电梯启动时的同步过程如图7 所示。由图7 可知，当1 号电梯上电时，在0．5 s 内查询是否接收到其他群控模块发送的数据，如果有收到，则说明电梯处于群控状态中，因此当群控模块接收完成数据后需跟其它群控模块进行通讯时序的同步;如果没有，则说明电梯处于非群控状态中，属单梯控制。其余电梯与1 号梯的启动同步原理相同。此处的时间设定可以根据编写的调度程序的特点来选择，一般的原则为:从0x010x08 号电梯，等待时间依次增加。

图7 启动时同步过程

正常工作时同步:为了保证无线通讯的畅通，需对群控模块进行通讯时序上的同步，同步次数取决于处于群控状态中的电梯台数，有几台就进行几次同步。在本研究中，设定一群控数据帧字节长度为74 个，其中包括64 层的呼梯信息、开关门信息、故障信息、满载信息、电梯运行状态信息［9］等，数据帧首字节为0x7E，第3 个字节表示电梯编号识别码。群控通讯主程序流程图如图8 所示。

图8 无线群控通讯主程序

由图8 可知，系统先判断是不是本梯的群控模块发送时间点，若是，首先准备好即将发送的本梯信息数据帧并把数据存储至群控数组内，其次在定时器中断内通过串口发送首字节，其他字节数据会存放在串口发送缓冲器内，然后其余字节数据会依次发送，直到串口发送缓冲器为空时才停止发送，即发送完毕;若不是，则使能串口接收中断，准备接收其他群控模块发送过来的数据，具体过程如图9 所示。

图9 串口接收流程

由图9 可知，在进入串口接收中断时，系统存储接收到的数据，再判断首字节是否为0x7E?若是，则继续判断第3 个字节是否是电梯编号信息，若是，把接收到的数据存储在群控数组内并进行时序同步，等到接收完毕后判断是否校验成功，若是，退出接收中断。

每块群控模块发送的数据帧长度为74 个字节，发送一帧的时间为TG1=74T =6．4 ms。经过多次测试，ZigBee 存在最大16 ms 的延时，为了保证通讯正常，因此本研究采用25 ms 同步一次。群控模块间的通讯时序如图10 所示，TG=200 ms。

图10 群控模块间的通讯时序

3 实验测试

本研究中的主控板采用Cortex-M3 内核处理器LPC1766，该处理器是NXP 的32 位嵌入式处理器。

触摸屏外招板采用型号为DMT80480T070_18 WT的DWIN 公司生产的DGUS 屏［10］。为了验证群控通讯的合理性，本研究搭建了实验平台，两台电梯主控板连接实物图如图11 所示。

图11 两台电梯连接实物图

在本研究中，由于设备的限制，笔者进行了1 号梯和8 号梯的群控通讯实验。1 号群控模块与8 号群控模块之间的通信波形如图12 所示。

由图12 可知，群控模块间的通讯周期为200 ms，无线群控通讯在时间上满足电梯群控系统通讯的要求。

4 结束语

本研究阐述了以STM32W108 芯片为核心的Zig-Bee 无线模块作为群控模块，针对传统电梯群控通讯存在通讯线路过多，稳定性较差，电缆多引起的高成本、高故障率的问题，提出了一种新的群控技术，提高了电梯的运行性能和服务质量。经实验表明，本群控系统结构设计更加合理，大大提高了系统稳定性;该系统采用无线群控通讯方式，打破传统的有线群控通讯，降低了成本，提高电梯的使用寿命和可靠性。